Sist cont i_conf1_2014

SISTEMAS DE CONTROLE I
Dr. Miguel Angel Rodríguez Borroto
Escola Superior de Tecnologia (EST)
Universidade do Estado de amazonas (UEA)
e-mail: #1. mrb1940@gmail.com

CONFERENCIA 1
Introdução à Disciplina e ao Sistemas de Controle
Automático

CONTEUDO
• Introdução à Disciplina. Sistema de avaliação. Bibliografia básica.
Referencias bibliográficas.
• Conteúdo do Curso.
• Fundamentos dos Sistemas de Controle.
• Conclusões.

OBJETIVOS
• Familiarizar-se com os aspectos organizativos fundamentais da
disciplina.
• Reconhecer os aspectos básicos dos sistema de controle
automáticos em sua vinculação com as aplicações industriais.

Introdução à Disciplina. Sistema de avaliação:
O sistema de avaliação é:
• Avaliação 1: Prova 1 com questões objetivas e subjetivas (0 a
10) = P1
NOTA 1 = P1
• Avaliação 2: Prova 2 com questões objetivas e subjetivas (0 a
10) = P2
NOTA 2 = P2
• MÉDIA DAS AVALIAÇÕES: MA = (P1 + P2)/2. Se MA > 8 e Índice de
Assiduidade > 75% = ALUNO APROVADO
Se 4 < MA < 8 O aluno se submeterá a Prova Final (PF), reunindo toda
a matéria, para obter a MÉDIA FINAL (MF):
MF = (MA*2 + PF)/3. Se MF > 6 – ALUNO APROVADO
A metodologia de ensino é baseada na conferencia tradicional sobre os
aspectos teóricos com atividades praticas de resolução de exercícios e
problemas usando o MatLab.

Bibliografia básica
Livro de Texto:
Ogata, K.; Engenharia de Controle Moderno. 4ta
Edição em português. Pearson, 2008.
Livros de consulta:
 Kuo, B. C.; Automatic Control Systems. 6ta
edição. Prentice Hall. 1982.
 Dorf, R.; Modern Conrtrol. 4ta Edição.
 Outros livros de texto.

Introdução ao Sistemas de Controle
A disciplina Sistemas de Controle I tem
como proposito central fazer que os alunos
adquiram os conhecimentos essenciais sobre
os métodos de analises e sínteses (projeto)
dos sistemas de controle automático, o seja,
os sistemas que são capazes de realizar
funções de controle e regulação de
determinados processos, tanto industriais
como económico, etc., sem a intervenção
direta e imediata do operador humano.

Tal proposito é alcançado a traves de elementos
sensores que medem e supervisam os
parâmetros e variáveis que caracterizam o
desempenho do processo controlado.
Além disso os sistemas de controle estão providos
de dispositivos que são capazes de analisar a falta
de correspondência o erro que existe entre os
valores observados pelos sensores e os valores
desejados e, baseado nesse erro, estabelecer as
correções necessárias no processo.

Esse elemento do sistema de controle que realiza
as correções sobre o processo recebe o nome de
CONTROLADOR e desempenha o papel de
cérebro do sistema automático de controle.
Mas, para poder realizar o controle do processo, o
sistema é auxiliado pelo que se lhama o
ELEMENTO FINALE DE CONTROLE, que o
dispositivo que atua sobre o processo para
modificar sua conduta de acordo com as exigências
de desempenho.

Por suposto, todos estes elementos mencionados
atuam sobre um processo determinado para
modificar sua conduta e lograr que seu
desempenho seja o desejado ou estabelecido pela
tecnologia.
Por ex: Sendo um controle de velocidade; o
processo é o motor que move a carga cuja
velocidade deseja-se controlar, sendo um controle
de temperatura, o processo pode ser o aquecedor
industrial que realiza essa função, etc. etc.

De modo que, segundo temos visto até aqui,
um sistema de controle fica formado
essencialmente por:
 Um subsistema de medição.
 Um subsistema de detecção de erro e
controle.
 Um subsistema de atuação com ação
motora que aciona sobre o processo.
 E, uma parte que é essencial, o processo
mesmo a controlar.

Seguindo a frase do celebre filosofo chino Confúcio
que diz: “Um esquema diz mais que milhões de
palavras”, podemos representar um sistema de
controle, em sua concepção mais elementar, pelo o
diagrama de bloque mostrado a seguir:
Fig. 1
CONTROLADOR
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROLE
PROCESSO
CONTROLADO
ELEMENTO DE
MEDIÇÃO
Referencia ou
valor desejado Saída do
sistemaErro
+
-

Os sistemas de controle jogam um role muito
importante, tanto na engenharia avançada
como na ciência.
Eles têm especial importância no controle de
sistemas de míssil teledirigidos, sistemas
robotizados, no controle de manufatura nos
chamados sistemas automatizados de
produção, no controle dos processos
industriais, etc.

São muito importante no controle numérico
de máquinas ferramentas, no projeto de auto-
pilotos para avião, no projeto de carros e
camiões.
Em processos industriais no controle de
temperatura, fluxo, pressão, humidade,
viscosidade, etc. procurando um desempenho
ótimo do processo quanto a consumo de
materiais e energia o controle automático
joga um papel fundamental.

Breve resenha Histórica
 O controle automático no mundo surge
praticamente com os trabalhos do inventos
James Watt e seu famoso regulador
centrifugo de Watt para controlar a
velocidade da máquina de vapor que ele
inventara.
 Outros trabalhos significante no
desenvolvimento da teoria dos sistemas de
controle foram os trabalhos de Minorsky,
Hazen e Nyquist, além de outros.

 Em 1922, Minorsky desenvolveu um sistema
automático de controle para barcos e
demonstrou que a estabilidade de um sistema de
controle pode-se analisar a traves do analise da
solução da equação diferencial que descreve o
desempenho do sistema.
 Em 1932, Nyquist desenvolveu um principio
simples para determinar a estabilidade de um
sistema de controle em malha fechada, baseado
na resposta do sistema em malha aberta a uma
excitação tipo senoidal de freqüência variável.

 Em 1934, Hazen introduziu por primeira vez o
termino servomecanismo para definir os sistemas
de controle da posição mecânica, mediante os
sistemas de controle a relé.
 Durante a década dos anos 1940 o método da
resposta de frequência, baseado nos chamados
diagramas de Bode, fez possível aos
engenheiros em controle projetar sistemas de
controle lineares em malha fechada muito
efetivos.

 A finais dos anos 1940 e primeiros anos dos 50,
Evans introduziu seu chamado método do lugar
geométrico das raízes, o qual ficou então
estabelecido até hoje.
 Ambos métodos seguem-se usando hoje apoiado
nas ferramentas da tecnologia digital é os
métodos computacionais de projeto usando
MatLab e outros produtos de software.

 A finais dos anos 1950, devido a
necessidade de desenvolver sistemas de
controle que permitiram controlar o
processo da maneira mais eficiente e
económica possível, surgiram as técnicas
de controle ótimo, em algum sentido.

 As plantas modernas, com muitas
entradas e muitas saídas, fizeram que os
processos foram cada vez mais difíceis de
controlar.
 Surgiram assim os sistemas de controle
multivariaveis, múltiplo entradas-múltiplo
saídas.
 O método clássico de controle baseado na
resposta de frequência e o root locus foram
métodos efetivos para o projeto de
sistemas simples entrada-simples saída.

 Na década dos anos 1960, devido ao
estabelecimento da computação digital foi
possível desenvolver a chamada teoria
moderna do controle, baseada no
conceito das variáveis de estado, o qual
fiz possível o analise e projeto do sistemas
de controle no domínio do tempo.
 Durante o anos 1960 até 1980 os sistemas
de controle ótimo, estocástico e adaptativo
foram pesquisados fortemente.

 Na década dos 1980, surgiu o chamado
controle robusto, (sistemas que mantem um
desempenho estável independentemente das
perturbações que podam afeitar ao sistema), o
qual hoje se conhece como a verdadeira teoria
moderna do controle.
 A finais da década dos 70 e primeiros anos dos
80 surgiu na industrias (Shell nos EEUU e
Adersa na Franza) um sistema de controle
baseado em computadores conhecido como
Controle Preditivo baseado no Modelo (MPC) o
qual esta ganhando muito auge nas aplicações
industriais.

 Agora, baseado nos micro controladores,
computador num sheap para o controle de
processos, se podem construir sistemas de
controles digitais integrados que cada dia
adquirem maior aplicação em sistema não de
engenharia.
 Aplicações recentes neste sentido tem lugar em
sistemas biológicos, biomédicos, econômicos e
até sociais.

Alguns conceitos e definições iniciais
Variável controlada: É a quantidade o
condição que é medida para ser controlada
no sistema. É a variável de saída do sistema
ou processo controlado.
Variável manipulada: É a quantidade o
condição que deve ser variada pelo
controlador para poder exercer a ação
corretora na variável controlada na saída. É a
a saída do elemento final de controle

Planta: Pode ser um equipe ou parte de ele onde
tem lugar o processo que se deseja controlar. Ex:
pôde ser um motor elétrico com sua carga, um forno
de aquecimento, um reator químico, um veiculo
espacial, um braço robótico, etc.
Processo: Dito com nossas próprias palavras, e a
sequencia de operações continuas ou descontinuas
que se sucedem numa planta baixo condições de
operação e que deve ser controlado para lograr o
desempenho desejado.

Sistema: É a combinação de médios técnicos
e componentes, convenientemente
selecionados e que atuam coordenadamente
baixo os preceitos da engenheira do controle
e que permite a operação da planta de
maneira estável e confiável.
Distúrbios: São os sinais que afeitam o
normal desempenho do sistema de controle,
exercendo influencia indesejável sobre a
saída da planta.

Controle por realimentação: A realimentação
negativa ou feedback (em inglês), ou seja a
comparação constante que tem que existir num
sistema de controle entre os valores desejados da
saída e o verdadeiro valor medido pelo sensor, é o
principio reitor do controle automático.
Então controle por realimentação refere-se a
operação de controle no controlador que exerce a
ação corretora do processo a partir do erro que
existe entre o valor desejado ou sinal de referencia
e o valor da variável de saída medida. Na Fig. 1
mostra um sistema de controle realimentado.

Exemplos de sistemas de Controle
Controle de Velocidade: O principio básico do regulador de velocidade
de Watt, o qual mantem-se até hoje, se amostra esquematicamente a
seguir:
Fig. 2

Controle de um robô: Os robôs industrial são muito utilizados na
indústria para aumentar e melhorar a produtividade. A seguir se mostra o
esquema de controle de um braço robotizado
Fig. 3. Robô usando uma parte de um sistema de reconhecimento de um
processo.

Controle de temperatura: A seguir se mostra o diagrama do sistema de
controle de temperatura de um forno elétrico.
Fig. 4. Sistema de controle de temperatura num processo de
aquecimento.

Controle de temperatura do compartimento de passageiros de um
carro: A seguir se mostra o diagrama funcional de do sistema de
controle de temperatura do compartimento de passageiros de um carro.
Fig. 5. Sistema de controle das temperatura num carro.

Controle em malha aberta vs. Controle em
malha fechada
Sistema de controle em malha fechada: Também conhecido como
controle por feedback ou controle de realimentação: É todo sistema que
mantem uma relação prescrita entre um valor de sinal, tomado como
referencia e o valor do sinal da saída usando a diferencia ou erro como
médio de controle.
Estes sistemas ficam regidos na engenharia do controle pelo mesmo
principio da realimentação negativa que rege na vida real.
Sistema de controle em malha aberta: É todo sistema de controle onde
as ações de controle não são afeitadas pelo sinal da saída. São todos os
sistemas de controle que trabalham baixo um programa predeterminado.
Por ex. as máquinas lavadoras de roupa, as máquinas eu centrifugam os
açúcares na indústria açucareira, etc.

Controle de malha aberta vs. Controle de
malha fechada
Sistema de controle em malha fechada versus sistema de controle
em malha aberta:
 Os primeiros (malha fechada) são capazes de compensar, até certo
ponto, os distúrbios.
 Sua resposta é insensível, até certo ponto, das não exatidão relativas
dos parâmetros do sistema.
 Podem legar a ser instáveis devido a realimentação, este é o maior
problema dos sistemas em malha fechada.
 Os sistemas de malha fechada precisam um numero de componentes
mais alto que os de malha aberta.
 Os sistemas de controle de malha aberta não presentão instabilidade.

Om problema do analise e projeto dos
sistemas de controle
Tanto o analise como o projeto de sistemas automáticos de controles
implica conhecer ou ter uma descrição matemática ou modelo da planta
onde tem lugar o processo que se deseja controla automaticamente.
Esses modelos em geral ficam determinados por um conjunto de
equações matemáticas as quais, geralmente descrebem os estados
transitórios no tempo, são equações diferenciais ou integro diferenciais,
embora podem incluir equações algébricas e transcendentes, lineares y
não lineares.
A modelagem matemático de um sistema de controle é uma premissa
básica no analise e projeto de sistemas de controle de processos.
No chamado sistema de controle clássico os métodos baseados na
resposta de frequência oferecem muito bom resultados, assim como o
método da localização das raízes para o analise e projeto n o domínio
temporal.

Porém, quando ao analise e projeto de sistemas de controle mais
sofisticados, como são os sistemas de controle ótimo, os sistemas de
controle adaptativo, os sistemas de controle robustos, os sistemas de
controle multivariaveis, incluído o moderno controle preditivo; a técnica
de analise e projeto no domínio do tempo, baseado nas variáveis e
equações de estado do processo, se impõem como ferramenta
fundamental de projeto e analise.
De modo que, a técnica de analise e projeto depende do alcance da
pesquisa que se deseja realizar; mas em qualquer dos casos se precisa
de um modelo que se capaz de representar ao processo real com
determinada exatidão e precisão.
No método clássico, resposta de frequência e root-locus, predomina o
chamado método de prova e ensaio (trial and error) o qual tem dado
muito bom resultados no projeto de sistemas de controle de processo de
só uma entrada e só uma saída. (Sistemas SISO)

Porém, nos sistema de múltiplo entradas e múltiplo saídas (sistemas MIMO),
sistemas multivariaveis, os quais tem que ser modelados mediante o analise
matricial; o método de prova e ensaio, não oferece bom resultado.
Nestes casos, se precisa acudir, as técnicas analíticas de analise e projeto
baseadas no conceito de estado, variáveis de estado e equações de estado e
outros.
Para o caso mais geral, o caso não linear, modelo que descreve a planta ou
processo é não lineal, neste casso se precisa acudir a técnicas específicas para
cada caso particular. Nestes casos o método clássico de balance de harmônicos
e o método do plano de fase oferece muito bom resultados no caso de sistemas
SISO.
Em qualquer caso, independentemente do método empregado, o software
MatLab é fundamental, tanto no analise como no projeto de sistemas de
controle.

BIBLIOGRAFIA
Ogata, k.; Engenharia de Controle Moderna.
Cap. 1.
Kuo, B. C.; Sistemas Modernos de controle.
Cap. 1 Pags. 1-5.
Rodriguez Borroto, M. A.; Sistemas de
controle I. Apresentação conf1.

Sist cont i_conf1_2014

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados (20)

Semelhante a Sist cont i_conf1_2014 (20)

Último (20)

Sist cont i_conf1_2014